ROCAS, ORIGEN Y FORMACION DE SUELOSComposición interna del globo terrestre El globo terrestre está compuesto por diferentes capas definidas con base a la composición y densidad principalmente. El núcleo formado predominantemente por compuestos de hierro y níquel; a través de la transmisión de las ondas sísmicas que el núcleo carece de rigidez y esta característica hace pensar que es fluido. Existe la opinión no comprobada de que una zona en torno al centro del planeta (sobre unos 1300 km de diámetro contra 3400 km de todo el núcleo) posee alta rigidez, por lo que se considera solido en vez de fluido. La capa que rodea al núcleo se conoce como manto y se considera fluido. Envolviendo al manto se encuentra la corteza terrestre, de espesor medio entre 8 y 35 kilómetros. La corteza terrestre se subdivide en corteza oceánica y continental. Por encima de la corteza terrestre existe una pequeña capa formada por la disgregación y descomposición de sus últimos niveles, esta pequeña parte es el suelo. En la figura siguiente se presenta esquemáticamente la composición interna de la tierra. Academia de Geotecnia Unison Definiciones Mineral. Es toda substancia inorgánica natural que tiene una composición química en particular y una estructura atómica regular que guarda una intima relación con su forma cristalina. Para que una substancia se pueda considerar como mineral, debe de cumplir con las siguientes características: i) ser solido homogéneo; ii) ocurrir naturalmente; iii) generarse a través de procesos inorgánicos y iv) tener una estructura cristalina bien definida y composición química estable. Roca. La definición más simple de roca, es la de un conjunto de minerales y/o fragmentos de otras rocas relacionados entre sí genética, espacial y/o temporalmente, que forman parte de la litosfera terrestre. A. Castro (1989) las define como el resultado final de la evolución de sistemas físico-químicos, más o menos complejos, desarrollados como consecuencia directa de la actividad geológica exógena o endógena. Suelo. Se define como suelo, todo material terroso, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas; el agua contenida en el suelo se considera como parte del mismo, ya que influye en su comportamiento. Mecánica de Suelos. Es el nombre dado a la interpretación científica del comportamiento del suelo; puede definirse como la ciencia que trata con todos los fenómenos que afectan el comportamiento del suelo. La Mecánica de Suelos consiste en determinar las propiedades esfuerzo – deformación del suelo y aplicar teorías y experiencias para comprender su comportamiento. Cimentación. Se refiere a la obra enterrada que sirve de apoyo a los edificios y a otras construcciones. La cimentación está formada por el “cimiento” (estructura de cimentación, subestructura o infraestructura) y el “terreno de cimentación”. El cimiento propiamente dicho, puede ser de varios tipos y materiales. El terreno de cimentación es la parte del suelo que soporta las cargas. Cimentación superficial o somera. Es el tipo de cimentación en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente al terreno situado bajo la misma a poca profundidad y el cual tiene la suficiente capacidad para resistir las cargas de la estructura. Cimentación profunda. Es aquella cimentación con la que se transmiten las cargas a un terreno firme situado a cierta profundidad. 2 Clasificación de rocas Rocas ígneas. La clasificación clásica y lógica de las rocas, parte del hecho de que la roca fundida (magma) se enfría, ya sea bajo la corteza terrestre dando origen a las rocas ígneas intrusivas; o bien, que el magma corre sobre la superficie (lava) generando rocas ígneas extrusivas. Rocas sedimentarias. Se forman por la acumulación sucesiva y litificación del producto de la intemperización de otras rocas. Estas rocas se clasifican de acuerdo al origen de los sedimentos en: i) detríticas ( cuarcita, arenisca, limolita); ii) químicas (evaporitas, dolomitas, calizas) y iii) orgánicas (caliza, carbón y rocas coralíferas). Rocas Metamórficas. Son rocas que sufren la recristalización de sus constituyentes, debido a la presión y al calor. Se deriva del griego meta que significa cambio y morfe que significa forma. La roca original puede ser ígnea, sedimentaria u otras que ya han sido metamorfoseadas; los tipos de metamorfismo pueden ser: termal o de contacto, dinámico o de dislocación y regional. Las rocas metamórficas se clasifican en: i) no foliadas o masivas (cuarcita, mármol) ii) foliadas (pizarra, filita, esquisto). Ciclo de las rocas TIPOS DE SUELO Agentes generadores de suelo Los agentes generadores de suelos se clasifican en: i) físicos (mecánicos); ii) químicos y iii) biológicos. Los primeros, atacan la roca mecánicamente y forman gravas, arenas o limos; los segundos, atacan la roca modificando (químicamente) la estructura mineral de la roca y dan origen a nuevos minerales y los terceros son cambios mecánicos y químicos directamente asociados a las actividades de animales y plantas. Los agentes de intemperismo químico más importantes son: hidrólisis, disolución y oxidación. Mediante el intemperismo químico, generalmente se forman arcillas. Suelos residuales y transportados Los depósitos sedimentarios se forman por la acción de los procesos de intemperismo de las rocas, y pueden o no ser removidos del lugar por algún medio de transporte. Así, la clasificación de los materiales, granulometría, forma y tamaño, dependen del medio de transporte. Dependiendo de si el producto del intemperismo es movido o no del lugar de meteorización, los suelos que se forman se clasifican en: i) residuales y ii) transportados. Suelos residuales. Son aquellos cuyo producto de descomposición de la roca quedan en el lugar, directamente sobre la roca que le dio origen. El espesor de los suelos residuales depende del clima; en climas semiáridos o templados su espesor es pequeño, mientras que en climas cálidos y húmedos son de gran espesor. Por lo general, los suelos residuales son rígidos y estables. Suelos transportados. Son aquellos cuyo producto de descomposición de la roca son removidos del lugar del lugar de formación. En la naturaleza existen numerosos agentes de transporte lo que da origen a distintos depósitos de suelos, tales como: Coluviales. Son suelos que se forman cuando el producto del intemperismo se transporta por gravedad, la acción del hielo – deshielo y principalmente por el agua; su deposición es local y ocurren generalmente por deslizamientos de ladera. Están formados por fragmentos angulares de tamaño grueso, empacados en una matriz de arenas limosas o arcillosas. Su espesor es variable y en se presentan con cierta estratificación y su granulometría decrece con la distancia del frente glaciar. por lo general son masas de suelo inestables debido a que tienen baja resistencia al esfuerzo cortante. típicas de las arcillas varvadas. sobre todo en la zona de contacto con la roca. Sus propiedades geotécnicas son altamente variables y son muy sensibles a los incrementos de presión intersticial . Los depósitos fluvio – glaciares contienen fracciones desde gravas gruesas a arcillas. influyendo en este caso las corrientes. Son depósitos transportados por el hielo o por el agua de deshielo. Son suelos que se forman cuando los sedimentos se depositan en lagos. sobre todo como áridos. Son depósitos que representan un problema geotécnico. Sin embargo. siendo en general suelos muy blandos de baja resistencia al esfuerzo cortante y alta compresibilidad. La investigación geotécnica precisa de un alto número de reconocimientos dada su heterogeneidad y anisotropía. su característica principal es su alta compresibilidad. Son suelos formados en la zona intermareal por la acción mixta de ambientes continentales y marinos. y cuando se desarrollan altas presiones intersticiales debido a lluvias intensas. pudiendo contener abundante materia orgánica y carbonatos. Su composición es muy heterométrica y la distribución es altamente errática. predominando las arcillas y las estructuras laminadas. estrechamente relacionados con la granulometría. Son característicos de climas templados. Predominan las arenas finas y los limos. Litorales. Glaciares. Los principales problemas geotécnicos que presentan están relacionados con su alto contenido de materia orgánica. ocupando cauces y valles fluviales. cantos y bloques. Frecuentemente presentan estructuras laminadas en niveles muy finos. Estos suelos constituyen una fuente de materiales para la construcción. la consistencia de estos suelos varía de blanda a muy blanda y son muy anisotrópicos. su tamaño varía desde la arcilla hasta las gravas gruesas. las cuales son muy inestables debido a su movilidad. En general. terrazas y paleocauces. Lacustres. Se distribuyen en forma estratificada variando mucho su densidad. Otro tipo característico de suelos litorales son las dunas. llanuras y abanicos aluviales. el oleaje y las mareas. los de origen lacustre – glaciar presentan fracciones más finas. Aluviales.ocasiones escaso. los fangos y la materia orgánica son característicos de las zonas de delta y estuario. Los sedimentos más finos. Son suelos muy anisotrópicos en su distribución con propiedades geotécnicas altamente variables. Son materiales transportados y depositados por el agua de los ríos. son generalmente de grano fino predominando los limos y las arcillas. iv) en la superficie forman costras y v) representan un riesgo de hundimiento cuando se producen fenómenos de disolución y carstificación. ii) colapsos por densificación de suelos o por pérdida de cementación al humedecerse (suelos colapsables). ricas en haloysitas. por lo que estos suelos son pobres para fines agrícolas. iii) erosionabilidad muy alta. debido a la pérdida de humedad por evaporación en la superficie que produce cementaciones por precipitación de sales y iv) muchos suelos áridos tienen un origen eólico. Desde el punto de vista geotécnico. que pueden ocasionar su deterioro y destrucción. Los ambientes áridos tienen una serie de implicaciones ingenieriles y medioambientales. típicos de medios áridos o desérticos.producidos por las lluvias. iii) pueden sufrir cambios de volumen. Si las condiciones de drenaje son deficientes pueden formarse los denominados suelos negros ricos en esmectitas. su estructura y las condiciones geoquímicas del medio controlan el comportamiento geotécnico de estos suelos. como la desecación profunda. resultando un suelo mal graduado. Depósitos de climas tropicales. cloruros y sulfatos. Su composición mineralógica. ii) bajo contenido de materia orgánica. iii) desarrollo de una costra rica en sales. que condicionan las propiedades de estos suelos. La investigación geotécnica en estos suelos es muy compleja. Depósitos evaporíticos. con una estructura muy suelta. v) cambios volumétricos en yesos y vi) desprendimientos y fallas de taludes en laderas con pendientes fuertes. Las características comunes de estos suelos son las siguientes: i) producen reacciones químicas en el concreto. dando origen a suelos no saturados. Si el drenaje es alto se forman las arcillas rojas. En estas zonas predomina una alta intemperización química que produce suelos residuales muy desarrollados. al pasar las anhidritas a yesos. lacustres y litorales. con succiones relativamente altas. sobre todo los cloruros. Estos suelos están formados por la precipitación química de sales. entre las que destacan: i) muy bajo contenido de agua. cloruros o sulfatos. iv) ataques por sales. ii) son fácilmente solubles. Depósitos de climas áridos y desérticos. Son comunes los fenómenos de deslizamiento de laderas. Cuando se precipitan altos contenidos de hierro y aluminio se forman las lateritas. los principales problemas que presentan son los siguientes: i) expansividad en arcillas. la acumulación de sales y la alta movilidad de los sedimentos con el viento. . Los tipos de suelos más representativos dependiendo del sitio de deposición son los siguientes: i) en las zonas de ladera y de montaña. la materia orgánica y los restos biogénicos. Otro grupo de suelos volcánicos lo forman los depósitos de piroclastos. con mejores propiedades geotécnicas en superficie que en profundidad. presentan problemas de expansividad y mal drenaje y iii) suelos encostrados. suelos negros. En las regiones volcánicas se pueden formar depósitos lacustres. presentan cambios de propiedades geotécnicas con la desecación y la agregación de partículas. Tienden a formar agregaciones de partículas de arcilla del tamaño de limo y arena. transformándose rápidamente en productos de alteración y arcillas. Si durante la deposición y enfriamiento se desarrollan fuertes uniones entre sus partículas por soldamiento o presión por peso propio de los productos piroclásticos. desde cenizas (< 2 mm) hasta lapillis (2 – 64 mm). estas condiciones son representativas de las arcillas del Valle de México. son altamente sensibles a la desecación. Si los piroclastos están aún fundidos en el momento de la sedimentación. forman tobas blandas. se aglomeran formando una toba compacta. o fragmentos de mayor tamaño. Estos suelos forman estructuras esponjosas de baja densidad y alta porosidad. presentan un buen comportamiento geotécnico. muy alterables y colapsables frente a cargas relativamente bajas. Cuando las cenizas se consolidan o cementan. y transportados como producto de las emisiones volcánicas dando acumulaciones de piroclastos de tipo lacustre o aluvial cuando son transportados por el agua. donde la composición es alofánica con altos contenidos en sales. suelos rojos. ii) en las zonas bajas y de llanura. dando resultados en los análisis granulométricos y de plasticidad que no corresponden a su naturaleza arcillosa. formados por partículas de tamaños variables. en cuya composición abundan las esmectitas. Los minerales precedentes de las rocas volcánicas son altamente inestables frente a la meteorización. materia orgánica y restos fósiles. Los suelos volcánicos pueden ser residuales por alteración de los materiales infrayacentes. lo que origina su alta plasticidad. Depósitos de origen volcánico. . resultando depósitos limo – arenosos y arcillas.En los suelos tropicales son frecuentes los encostramientos. su resistencia aumenta dando elevados ángulos de fricción interna y cohesiones aparentes altas. En los suelos gruesos su comportamiento ingenieril está principalmente condicionado por su compacidad (grado de acomodo) y por la orientación de sus partículas. En los suelos finos el comportamiento ingenieril está principalmente condicionado por la historia geológica de cargas. es también determinada por la forma y el tamaño de las partículas: i) en los suelos gruesos. los suelos finos por unidad de masa. por lo que la constitución mineralógica es hasta cierto punto secundaria. En virtud de lo anterior.COMPORTAMIENTO MECÁNICO E HIDRÁULICO DE LOS SUELOS En la ingeniería civil. es tal que las fuerzas gravitacionales tienen una relevancia secundaria. las partículas son macroscópicas y de forma “equidimensional”. para estudiar el comportamiento de los suelos se clasifican éstos en dos grandes grupos: i) suelos gruesos y ii) suelos finos. la composición mineralógica de sus partículas y por la naturaleza electrolítica del agua contenida en sus poros (vacíos o intersticios). ofrecen hasta un millón de veces más área dispuesta a reaccionar con el agua (superficie específica). que los suelos gruesos. Características y estructuración de los suelos La marcada diferencia de comportamiento entre suelos gruesos y finos. . En la siguiente tabla se presentan las áreas específicas de los grupos de arcilla característicos. las partículas son microscópicas y de forma “laminar”. Esto debido a la marcada diferencia de interacción entre las partículas sólidas y entre éstas y el agua. ii) en los suelos finos. En ellos predominan las fuerzas de gravedad por sobre las electromagnéticas de atracción o repulsión entre sus partículas. En estos suelos la intensidad de las fuerzas electromagnéticas desarrolladas entre las partículas sólidas y entre ellas y el agua. − enat . a este arreglo se le conoce como estructura simple. emáx. Las estructuras clásicas de los suelos finos que se han idealizado para comprender el comportamiento de los mismos son las siguientes: i) panaloide. . Para evaluar dicha compacidad relativa. es la 3 3 relación de vacíos correspondiente al estado natural del suelo (l /l ). en los cuales se desarrollan fuerzas resistentes producto exclusivamente de la fricción. y con el agua presente en su entorno. a diferencia de los suelos finos en los que las fuerzas de atracción electromagnéticas generan estructuraciones más complejas. Mientras que en los suelos finos la presencia del agua es definitiva en el comportamiento mecánico e hidráulico (compresibilidad. En las siguientes ilustraciones se muestran cada una de ellas. ×100 − emín. y cada partícula posee varios puntos de apoyo. es la relación de 3 3 vacíos correspondiente al estado más compacto del suelo (l /l ) y enat. Estructuración de los suelos gruesos. iii) compuesta. resistencia y permeabilidad). emáx.El hecho de que en los suelos gruesos predominen las fuerzas gravitacionales tiene como consecuencia. Terzaghi introdujo la siguiente relación empírica: Cr (%) = emáx. Estas estructuras se originan a partir del fenómeno físico – químico que ocurre entre las partículas de arcilla entre sí. emín. que sus partículas se organicen en una forma más simple. lo cual es más relevante cuando las partículas tienen forma de lajas. se utiliza el concepto de compacidad relativa (Cr) expresada en porcentaje. iv) castillo de naipes y v) dispersa (Tomo I Juárez Badillo y Rico Rodríguez). donde: Cr es la compacidad relativa (%). al ser las fuerzas gravitacionales las de mayor relevancia las partículas se disponen apoyándose directamente unas en otras. En suelos constituidos por partículas de grava y arena. en los suelos gruesos su influencia es prácticamente irrelevante. es la relación de vacíos 3 3 correspondiente al estado más suelto del suelo (l /l ). La orientación de las partículas se evalúa por inspección en el depósito natural de suelo. Para evaluar el grado de acomodo de las partículas constituyentes de un suelo grueso (compacidad). ii) floculenta. los depósitos de suelo grueso exhiben mayor resistencia y menor permeabilidad si los esfuerzos y la dirección del flujo están direccionados en sentido perpendicular a la orientación de las partículas. Estructuración de los suelos finos. Academia de Geotecnia Unison 10 . por ejemplo. hierro. sus átomos se disponen en láminas. en el caso del silicio. Unidades (anillos) con otras geometrías son formadas por la unión sucesiva de láminas alumínicas y de otros minerales.Físico – Química de las arcillas. la composición atómico – molecular se muestra en las siguientes figuras: Las láminas se unen entre sí sirviendo como nexo los átomos de oxígeno para formar unidades silícicas y alumínicas o de otros minerales. Las arcillas están constituidas por silicatos hidratados de aluminio. las más comunes en la naturaleza son las silícicas y las alumínicas. la unidad forma una figura hexagonal tal como se muestra a continuación. 11 . magnesio y otros metales. mientras que el trapecio con el símbolo del silicio al centro representa la estructura reticular silícica. En la tabla siguiente de estructura de los silicatos es posible observar estas uniones sucesivas de láminas.Las unidades a su vez. el rectángulo con el símbolo del aluminio al centro representa la estructura reticular alumínica. convencionalmente estas estructuras han sido representadas esquemáticamente por rectángulos y trapecios. sirviendo siempre como nexo los átomos de oxígeno. según sea el arreglo de estas uniones resultan ser las propiedades de la partícula. Uniones sucesivas de estructuras reticulares (con el nexo de los átomos de oxígeno) llegan a formar partículas de arcilla. por ejemplo el grupo de las Caolinitas se origina de la unión sucesiva entre una estructura reticular silícica con una alumínica (ver figura siguiente). hasta formar estructuras reticulares. se unen también sirviendo como nexo los átomos de oxígeno. . Academia de Geotecnia Unison 13 . Academia de Geotecnia Unison 14 . Academia de Geotecnia Unison El grupo de las Montmorilonitas es formado por la unión sucesiva de dos estructuras reticulares silícicas con una alumínica. también con nexos débiles entre las estructuras reticulares iguales. se presenta en la figura siguiente. esto tiene como consecuencia nexos débiles en el contacto de las estructuras reticulares iguales (silícicas). aunque de intensidad intermedia. 15 . La representación esquemática de los diferentes grupos de arcilla. El grupo de las Ilitas adoptan arreglos intermedios. Academia de Geotecnia Unison 16 . De acuerdo a la naturaleza atómico – molecular antes descrita. se concluye que la partícula laminar de arcilla tendrá un campo electromagnético en sus caras de valencia negativa (y en sus bordes positiva). debida a la formación de las capas de agua adsorbida + Agua Partículas de arcilla unidas en estado seco Manifestación microscópica de expansión . en virtud de la gran cantidad de átomos de oxígeno dispuestos al nexo con eventuales iones positivos (cationes) que se acerquen al entorno de la partícula: Campo Electromagnético de una partícula de arcilla d 1 partícula de arcilla (forma laminar) Expansión de una masa de arcilla. manifestada como elevación de la superficie del suelo| 17 . la mayor riqueza electrolítica hace posible amplitudes de agua adsorbida menores que en lagos de agua dulce. Tomando en cuenta lo antes dicho. en cuanto a la resistencia y a la permeabilidad la variación es inversamente proporcional. de acuerdo a la intensidad de la fuerza de adhesión se distinguen tres capas de agua adsorbida: i) la sólida. para seleccionar la proporción de cal que concilie la estabilización deseada con el costo correspondiente. En lagos de agua salada o en el mar. etc. formadas en lagos de agua dulce. . debido a que el calcio es el más abundante en la naturaleza. siendo atraídos con una fuerza que es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la cara de la partícula. la cual puede removerse por acción dinámica. Partículas del grupo de la Montmorilonitas poseen intensos campos electromagnéticos. otros cationes se adhieren a la superficie de la partícula. depende principalmente de dos factores: i) constitución mineralógica de la partícula y ii) naturaleza electrolítica del agua. La amplitud de la capa de agua adsorbida. esto es. considerándose como parte de la fase sólida del suelo. calcio. denominada agua “adsorbida”. arcillas potencialmente expansivas se estabilizan de esta forma. es indispensable realizar un trabajo experimental en laboratorio con mezclas de suelo y cal en diferentes proporciones.Además de las moléculas de agua que eventualmente puedan ingresar a la partícula de arcilla por las uniones débiles. Para lograr lo anterior. podrán reducirse drásticamente si en el agua se añaden iones positivos tales como el sodio. el depósito de arcilla tiene propiedades de compresibilidad y plasticidad que varían directamente en forma proporcional. Según la amplitud de las capas de agua adsorbida. La interacción de la partícula de arcilla con estos cationes y/o moléculas de agua. ii) la viscosa. potasio. es más común que se utilice en la industria de la construcción (cal) para los procesos de estabilización de arcillas expansivas. que por su consistencia en condiciones naturales de presión y temperatura no llega a separase de la partícula. se deduce que las amplias capas de agua adsorbida de depósitos de Montmorilonitas. origina una masa de agua adherida a la partícula. las Ilitas en grado intermedio y las Caolinitas en menor intensidad. que llega a ser removida a altas temperaturas y iii) la líquida. ii) parcialmente saturados.RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS DE LOS SUELOS Los suelos están constituidos por un conjunto de partículas sólidas en contacto entre sí. los vacíos están ocupados por aire y agua y iii) totalmente secos. ii) líquida. todos los vacíos están ocupados por agua. Diagrama de un suelo representado como un sistema de tres fases .1. la masa de suelo manifiesta físicamente diversos comportamientos ingenieriles. corresponde a las partículas sólidas del suelo. fundamentalmente agua y iii) gaseosa. el suelo se considera compuesto por tres fases: i) sólida. de acuerdo con lo anterior los suelos se clasifican como: i) totalmente saturados. Según sea la proporción que guardan entre sí estas tres fases (respecto al peso o volumen). dejando entre ellas espacios vacíos (poros o intersticios) que pueden estar total o parcialmente ocupados por agua o aire. parte de los vacíos ocupados por líquidos. de interés para el ingeniero. principalmente aire. En la siguiente figura se muestra esquemáticamente las tres fases de un suelo. Volúmenes Pesos Va Fase gaseosa Vω Fase líquida Vs Fase sólida Wa ≈ 0 Vv Wω Wm Vm Ws Fig. el complemento de los vacíos ocupados por gases. Por lo expuesto en el inciso anterior. todos los vacíos están ocupados por aire. sin columnas ni muros intermedios. Porosidad: n = Vv Vm 2. se establecen importantes relaciones: 1.30 m con una arena limosa para llegar al nivel inferior de la losa de piso de concreto proyectada. Gravedad específica: Gs = 9.00 m de largo.600 t/m y un contenido de agua . Peso específico de los sólidos: γs = Ws Vs 6.00 m de ancho por 12. resultó necesario rellenar un espesor de 0. Peso específico del agua a 4°C: γo = 1 10. Peso específico seco: γd = Ws Vm 7.Con base a los pesos y volúmenes de las distintas fases. Relación de vacíos: e = Vv Vs 3. tiene un peso volumétrico suelto de 1. Peso específico sumergido: γ ' = γ − γo m A continuación se presenta un ejemplo donde se ilustra una aplicación de algunas de las relaciones anteriores. Grado de saturación: Sr = 4. Ejemplo 1. La arena limosa suministrada y colocada suelta en el área de 3 proyecto. Peso específico total: γm = Vω Vv Wω Ws Wm Vm Ws Vs γ o 8. Durante el proceso constructivo de una bodega de dimensiones interiores de 8. Contenido de agua: ω = 5. y después de construir la subestructura de cimentación y las trabes de desplante perimetrales. 600 t/m 6.00 %.30 m Wmfinal= V x γmfinal = Ws = Wmfinal/(1 + ωfinal) Ws = 0. responda los siguientes cuestionamientos: a) ¿Cuántas cubetas de agua (de 18 litros) deberá ordenársele a los trabajadores que le incorporen en forma homogénea a la arena limosa por cada metro cuadrado de área? b) ¿Cuál es el espesor que deberá estar sobresaliendo la arena limosa suelta del nivel inferior proyectado para la losa de concreto.600. se especifica compactar hasta que la arena limosa adquiera un peso volumétrico compacto de 3 2. de acuerdo a la información proporcionada por el laboratorio.00 m 12.600 3 1.000 t/m Solución: a) Considerando un área de un metro cuadrado: V = Axh = 0.00 % 3 2.30 m 3 1.00 %.54054 t 3 0. la gravedad específica de las partículas sólidas es de 2.de 6.000 t/m 11.00 % 2.000 t/m incrementando su humedad hasta el 11.60 t . para poder considerarla como suficiente? Datos: B = L = h = γminicial = ωinicial = γmfinal = ωfinal = Gs = γω = 8.00 m 0. Con la información proporcionada. 03 litros/18 litros = 1.8018 t/m 3 Para el estado suelto: γmsuelto. entonces: Wωinicial = Ws x ωinicial Substituyendo la expresión anterior en (2). que en este caso viene siendo la fase sólida del suelo.02703 m = Por lo tanto se requieren un total de cubetas por metro cuadrado igual a: No. el análisis debe de hacerse respecto a una invariante del suelo. = Ws (1+ ωinicial)/Vmsuelto (2) . de cubetas = 27. = Ws/Vcomp. = Ws + Wωinicial/Vmsuelto Como el contenido de agua del suelo en estado suelto es: ωinicial = Wωinicial/Ws. = 0.5 cubetas Solución: b) Para poder encontrar la solución. por lo tanto.30 m 3 = 1. se obtiene: γmsuelto.03 litros 0.54054 t/0. considerando que el peso seco del suelo es el mismo en ambos grados de acomodo se tiene: γdcomp.Como: ω = Wω/Ws Wω = ω x Ws Entonces: ΔWω = Δω x Ws = 3 27. 358 m – 0.50943 t/m Ahora sí: 3 3 γdcomp.600 t/m /(1.Entonces: γmsuelto.06) = 1. = 1.1937 x Hcomp.8 cm 3 ./(1+ ωinicial) = 3 Ws /Vmsuelto = γdsuelto = 1.1937 Por lo tanto: Hsuelto = 1. /γdsuelto = Vsuelto/Vcomp.8018 t/m /1.50943 t/m = 1. = Hsuelto/Hcomp.358 m Por lo que el espesor que sobresale del espesor compacto proyectado es: 0. = 0.300 m = 5. a menos que se protejan adecuadamente por filtros de material granular debidamente graduados. presas de tierra. Obviamente para obtener un resultado significativo. El análisis granulométrico es un intento para determinar las proporciones relativas de los diferentes tamaños de grano presentes en una masa de suelo dada. En ocasiones. pero que es retenido en un siguiente tamiz cuya malla . Dicho análisis es posible hacerlo por medio del cribado por mallas y la prueba del hidrómetro. la práctica solamente agrupa los materiales por rangos de tamaño. filtros y otro tipo de terraplenes.PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS Con el fin de tener parámetros que califiquen las propiedades de los suelos y que además permitan clasificar e identificarlos. dentro de los que destaca la consistencia plástica (plasticidad). llamados filtros. puede establecerse a partir de su análisis granulométrico. se definen las propiedades denominadas como “índice”. para lograr esto. Granulometría en suelos El análisis granulométrico de un suelo consiste en términos generales en separar y clasificar por tamaño las partículas que lo componen. la muestra por ensayar debe ser estadísticamente representativa de la masa de suelo. se obtiene la cantidad de material que pasa a través de un tamiz con una malla dada. se utiliza también como criterio de aceptabilidad de suelos para carreteras. Para los suelos gruesos y para las fracciones gruesas de los depósitos naturales. Como no es físicamente posible determinar el tamaño real de cada partícula independiente del suelo. aeropistas. la granulometría de suelos puede utilizarse para predecir movimientos del agua a través del suelo. Los suelos finos en suspensión son arrastrados muy fácilmente por el agua que circula a través del suelo y los sistemas de subdrenaje usualmente se llenan rápidamente con sedimentos. estos parámetros se refieren en este caso a la distribución del tamaño de sus partículas (granulometría). sin embargo. estos parámetros se refieren a la reactividad de las partículas sólidas en presencia de agua y que ocasiona diversos estados de consistencia según la humedad. La graduación adecuada de estos materiales. diques. En el caso de los suelos finos. La utilidad básica de la granulometría de suelos es para efectos de clasificación. aún cuando los ensayes de conductividad hidráulica se usan más comúnmente. Todos los sistemas de clasificación de suelos utilizan el tamiz no. La información obtenida del análisis granulométrico se presenta en forma gráfica con el fin de comparar suelos y visualizar más fácilmente la distribución de los tamaños de granos presentes. pero mayores que el tamaño de la malla del tamiz en el cual el suelo se retuvo.2 mm a 0. incluyendo las limitaciones físicas para obtener muestras estadísticamente . ya que es posible que no se puedan orientar adecuadamente para pasar a través de su tamiz correspondiente. o qué orientación adecuada pasa a través de una malla de abertura rectangular de un cierto tamaño. 200 (0. esto se debe a las varias razones consideradas hasta aquí. se emplea comúnmente el método del hidrómetro. 200) puedan adherirse a las partículas mayores y no pasar a través del tamiz adecuado. las clasificaciones se basan generalmente en términos de la cantidad retenida o la cantidad que pasa a través del tamiz no.075 mm.075 mm) como un punto divisorio. es decir. todos los cuales son menores al tamaño de la malla a través de la cual pasó todo el material. y como una masa de suelo típica puede tener partículas que varíen entre tamaños de 76. 200. 200. e incluso las partículas más finas. solamente da información sobre los granos que puedan pasar. Los procedimientos patrones utilizan el “porcentaje que pasa” en escala natural de la curva de distribución granulométrica. si ellos son angulares o redondeados. es necesario utilizar una representación semilogarítmica para graficar el tamaño de las partículas. Es evidente que el material retenido de esta forma en cualquier tamiz. 200 en tamaño (es decir. Cuando se presenta esta necesidad. Ocasionalmente es deseable conocer la escala “aproximada” de partículas de suelo menores que el tamiz no. el material que pasaría a través del tamiz no. Las partículas más pequeñas podrían no haber sido totalmente separadas en el proceso de tamizado.tiene diámetros ligeramente menores a la anterior y se relaciona esta cantidad retenida con el total de la muestra pasada a través de los tamices. es necesario recurrir a una escala muy grande para poder dar la misma masa y precisión de lectura a todas las medidas. El proceso de tamizado no proporciona información sobre la forma de los granos de suelo. Obviamente. consiste de partículas de muchos tamaños. especialmente la fracción menor que el tamiz no. en muestras de un cierto tamaño no siempre es posible que todas las partículas pasen a través del tamiz respectivo. es decir. Es evidente que una curva de distribución granulométrica sólo puede aproximar la situación real. La exactitud del análisis es más cuestionable aún para suelos de grano fino (más fino que el tamiz no. etc. D30.15 mm. 30. y la práctica común y ampliamente seguida de utilizar suelos secados al horno puede influir el análisis otro tanto. la limitación práctica impuesta por la utilización de mallas de forma regular para medir partículas de suelo y el número limitado de tamices usados para el análisis. Los diámetros correspondientes al D15 y D85 se utilizan para determinar la capacidad del suelo para ser utilizado en diseño de filtros para una presa o para recubrir los agujeros de tubería perforada utilizada como sistema de subdrenaje dentro de un suelo. indica que los diámetros D60 y D10 difieren apreciablemente en tamaño. A partir de la curva de distribución granulométrica. Cu”. 60. D15. D60. el diámetro D10 es también llamado “el tamaño efectivo” de un suelo. sin embargo. para clasificación de suelos. definido como: Cu = D60 D10 Un valor grande de este parámetro Cu. D10 = 0.15 mm significa que el 10 % de los granos de la muestra son menores en diámetro que 0. o diámetro aparente de la partícula de suelo y el subíndice (10. 200. 4) que para suelos gruesos. Una indicación de la variación (o rango) del tamaño de los granos presentes en la muestra se obtiene mediante el “coeficiente de uniformidad. la presencia de grumos en el suelo. 1996). es satisfactoria para predecir el comportamiento de suelos no cohesivos y obtener las cantidades relativas mayores y menores del tamiz no. como el que se presenta cuando faltan por completo o solamente existe una muy pequeña cantidad de diámetros de un determinado tamaño.representativas. Por ejemplo. que no exista un vacío de graduación. 85) denota el porcentaje de material más fino. La curva de distribución granulométrica que se obtiene siguiendo el procedimiento que se presenta posteriormente. El tener una muestra representativa y el lograr la reducción de todos los grumos a partículas elementales mediante el lavado son factores mucho más importantes. D60. D85. este factor es uno de los menos significativos del ensayo (Bowles. No asegura. . El D se refiere al tamaño del grano. se pueden obtener diámetros característicos tales como el D10. 0. indican que falta una serie de diámetros entre los tamaños correspondientes al D10 y el D60. Se presenta a continuación el formato de cálculo y gráfica de la distribución granulométrica. .El “coeficiente de concavidad o curvatura Cc” es una medida de la forma de la curva entre el D60 y el D10 y se define de la siguiente forma: Cc = 2 D30 (D10 D60 ) Valores de Cc muy diferentes de 1. Academia de Geotecnia Unison 28 . Academia de Geotecnia Unison 29 . dependen principalmente del contenido de agua. Atterberg encontró que según el contenido de agua. Existen suelos que al ser remoldeados cambiando su contenido de agua. existe un intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plásticamente. tendría la consistencia de un ladrillo. que puede resistir esfuerzos de compresión considerables. ya que ésta modifica las fuerzas de interacción entre las partículas y entre estas y el agua. si la arcilla está muy seca. Según esta definición. En mecánica de suelos puede definirse la plasticidad como la propiedad de un material por medio de la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas. Además. mientras que el de la arena varía. solo las arcillas cumplen con la definición ya que por ejemplo. la arena se desmorona en deformación rápida. el suelo llega a adquirir las características de un sólido. Se han desarrollado varios criterios para poder medir la plasticidad de las arcillas. a un elevado contenido de agua corresponde una distancia promedio alta entre partículas y una resistencia baja al esfuerzo cortante. pero si tuviera un alto contenido de agua. aquí caen todas las propiedades de las arcillas. Al tratar de definir la plasticidad de un suelo no sólo hay que decir que es aquel que puede deformarse y remodelarse sin agrietamiento. el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformación. un suelo es susceptible de ser plástico y puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia: 30 . sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua. y por lo tanto. Atterberg el cual hizo ver que la plasticidad no era una propiedad permanente de las arcillas. Pero en el sentido más amplio de la palabra “plasticidad”. sin rebote elástico.Plasticidad en suelos Las propiedades de un suelo formado por partículas finas. es decir. puede presentar las propiedades de un lodo. la resistencia aumenta hasta alcanzar un estado “plástico” en el que el material es fácilmente moldeable. estos suelos han sido llamados arcillas. los cuales fueron definidos por A. Aquí sólo se hace mención a los “límites de consistencia”. Esto quiere decir que una misma arcilla puede presentar varias consistencias. sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. influye en el comportamiento del material. posteriormente. que desde épocas antiguas se ha denominado “plástica”. por ejemplo. Al disminuir el contenido de agua. adoptan una consistencia característica. Entre ambos extremos. porque hay otros materiales que tienen esas propiedades. . para ello estableció los límites siguientes. 2. llamados límites de consistencia ó límites de Atterberg. Estado plástico: Aquí el suelo se comporta plásticamente. 4. Estado líquido: Con propiedades y apariencia de una suspensión. Estado semi-líquido: Con propiedades de un líquido viscoso. 5.1. Atterberg marcó las fronteras de los cinco estados en que pueden presentarse los materiales finos. Estado sólido: Aquí el volumen del suelo ya no varía con el secado. 3. Estado semi-sólido: El suelo tiene la apariencia de un sólido pero aún disminuye de volumen si se somete a secado. A continuación se presenta en forma gráfica los estados y límites de consistencia de los suelos finos. el límite líquido queda expresado por la humedad que contiene el suelo en el estado que separa las consistencias semi-sólida y semi-líquida. La altura de caída de la copa es. . sobre una superficie plana y seca. golpeándose con la base del dispositivo. El límite líquido de un suelo. por especificación de 1.Límite Líquido (LL). La copa es esférica con un radio interior de 54 mm. se obtiene una recta que se conoce como “curva de fluidez”. el tacón y la copa giran en torno a un eje fijo unido a la base. El límite líquido de un suelo plástico se define como el estado de dicho suelo para el cual se considera que existe una división entre las consistencias plástica y semi-líquida. Se encontró experimentalmente que usando papel semilogarítmico. De hecho. es una recta cerca del límite líquido.00 cm. la curva llamada de fluidez. Al graficar los diferentes puntos con dichas escalas. la ordenada en escala aritmética corresponde al contenido de agua. que debe tener un suelo remoldeado para que una muestra en la que se haya practicado una ranura de dimensiones normalizadas se cierre 13 mm aproximadamente sin resbalar en su apoyo. La determinación actual del límite líquido se hace con el uso de la copa de Casagrande. por lo que no tienen plasticidad La prueba para la determinación actual del límite plástico está definida como el contenido de agua con el que se desmorona y agrieta un rollito de 3 mm (1/8”) de diámetro formado con el suelo al rodarlo con los dedos. Límite plástico (LP). La ordenada de esa curva correspondiente a la abscisa de 25 golpes es el contenido de agua correspondiente al límite líquido. Frontera convencional entre los estados semi-líquido y plástico. el límite plástico coincide con el límite líquido. En los suelos de características arenosas. es el contenido de agua expresado como porcentaje de la masa seca. hasta la base misma estando la copa en su punto más alto. y la abscisa en escala semilogarítmica corresponde al número de golpes. Una excéntrica hace caer a la copa periódicamente. Estado en que se considera que existe una división entre las consistencias plásticas y semi-sólida de un suelo. el límite líquido se determina conociendo 4 ó 5 contenidos de agua diferentes cercanos al límite líquido. medido verticalmente desde el punto de la copa que toca la base al caer. En los suelos de características arenosas. Esta copa consta de un recipiente de bronce con un tacón unido del mismo material. al someterla a un impacto de 25 golpes dados a una velocidad de dos golpes por segundo. 2 mm de espesor y una masa de 200 g. Las propiedades de plasticidad de un suelo. Para el caso de que la humedad esté en la vecindad del límite líquido.LP Los suelos plásticos. y se define como el contenido de agua con el que el suelo ya no disminuye su volumen al seguirse secando. según los límites de plasticidad (LL y LP). . Fω es el índice de fluidez que corresponde a la pendiente de la curva de fluidez. con humedad en el límite líquido es de S1 = 25 g/cm . es posible demostrar que una expresión válida para definir un índice de esa resistencia es la relación: Tω = IP / Fω El índice de fluidez se determina gráficamente como el cambio en el contenido de agua para un ciclo de la escala logarítmica (log10 N). y la correspondiente a la del límite plástico es directamente proporcional al límite plástico. también llamado rango plástico. Estadísticamente se ha determinado que la resistencia al esfuerzo cortante de 2 los suelos plásticos. con la humedad del límite plástico. son directamente proporcionales al índice plástico. un parámetro usado para evaluar la consistencia es la pendiente de la curva de fluidez. el cual se determina como: IP = LL . La ecuación de la curva de fluidez es: ω = Fω log10 N + C Donde: ω es el contenido de agua del suelo (%). e inversamente proporcional al índice de fluidez. denominado índice de fluidez (Fω). según su naturaleza presentan diversas resistencias al remoldeo.Límite de contracción (LC). N es el número de golpes y C es el contenido de agua correspondiente a un golpe en la copa de Casagrande. En la búsqueda de una expresión que ofrezca la resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Es la diferencia aritmética que existe entre el límite líquido y el límite plástico. Es la frontera entre los estados de consistencia semi-sólido y sólido. Consideraciones sobre los límites de consistencia Índice plástico (IP). Academia de Geotecnia Unison 34 . C. Un suelo se considera grueso si más del 50 % de sus partículas (con respecto al peso seco de la muestra total) son gruesas. 200 y menores que la malla de 3” y ii) la fina. Una de las propiedades que más se tomó en cuenta para la formación de estos grupos fue la compresibilidad. formada por partículas que pasan la malla no.U. La fracción fina se subdivide en grupos. por ser éstas lo fundamental para las aplicaciones ingenieriles.S. La compresibilidad aumenta con el valor del límite líquido. 35 . basado en el Sistema de Clasificación de Aeropuertos (desarrollado por A.C. permaneciendo todos los demás factores constantes.C.S. Casagrande en 1942). divide a los suelos en dos grandes grupos: i) la gruesa. Clasificación de los suelos finos. y fino si más del 50 % de sus partículas (con respecto al peso seco de la muestra total) son finas. aunque no es lo determinante para el comportamiento de este tipo de suelos. que.U.S. específicamente con el límite líquido.U. las cuales están relacionadas con las propiedades mecánicas e hidráulicas.SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS (S. sí puede usarse como base de clasificación de los suelos granulares. a partir de la cual el ingeniero pueda profundizar su investigación. debe estar basado en las propiedades mecánicas de los suelos. 200. iv) permeabilidad. iii) compresibilidad. cualitativa y cuantitativamente. formada por partículas mayores que la malla no. el criterio básico de clasificación es aún el granulométrico. Una de las más importantes funciones de un sistema es proporcionar la mayor cantidad de información normativa. entre las propiedades de mayor interés para el ingeniero. pueden deducirse cualitativamente a partir de sus características de plasticidad. 200. reconoce que las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos constituidos por partículas menores que la malla no. v) velocidad de variación volumétrica. la cual está íntimamente relacionada con las características de plasticidad.) Un sistema de clasificación que pretenda cubrir las necesidades correspondientes.). El S. se encuentran: i) características esfuerzo – deformación. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S. ii) resistencia. tomando en cuenta sus características de plasticidad. etc. En cuanto a los suelos formados por partículas mayores que la malla mencionada. la cual se presenta a continuación. con símbolo O. si el límite líquido es menor que 50 % y ii) de alta compresibilidad (con símbolo H). Para la clasificación de los suelos finos se hace uso de la carta de plasticidad.S. son los que tienen apreciable contenido de materia orgánica.C. con símbolo C y no plásticos o limos. con símbolo M. Los suelos orgánicos. si el límite líquido es mayor que 50 %. Cada uno de estos tres tipos de suelos se subdividen. según el valor del límite líquido en dos grupos: i) de baja compresibilidad (con símbolo L). Los suelos inorgánicos se subdividen a su vez en suelos plásticos o arcillas. divide a los suelos finos en: i) inorgánicos y ii) orgánicos.El S.U. . y se clasifica como arena en caso contrario. cuando el porcentaje de finos es mayor que el 12.00 y 12. Se considera la graduación del material. En este caso el suelo se debe clasificar con símbolo doble separados con un guión. . Según sea el contenido de finos. 4 (4. Material cuyo contenido de finos está entre 5 y 12 % (5 ≤ % finos ≤ 12). teniendo como frontera la malla no. esto es bien graduado (símbolo W) y mal graduado (símbolo P) junto con el símbolo genérico previo. Material con apreciable contenido de finos. ii) material con apreciable contenido de finos. En este caso para su clasificación se considera el símbolo genérico de la fracción gruesa (G o S) y se añade el primer símbolo que corresponde a la ubicación de los finos en la carta de plasticidad. La fracción gruesa se subdivide en gravas (con símbolo G) y arenas (con símbolo S). G o S. Para determinar si el material está bien graduado se deben determinar los coeficientes de uniformidad y de curvatura. 4.00 % (5 ≤ % finos ≤ 12).00 % y iii) material con contenido de finos entre 5.00 %. cuando el porcentaje de finos es menor que el 5. Un suelo se clasifica como grava. las gravas y las arenas se subdividen en: i) material prácticamente limpio de finos. si más del 50 % en peso de su fracción gruesa no pasa la malla no. Las arenas se consideran bien graduadas cuando los coeficientes de uniformidad y curvatura satisfacen ambos lo siguiente: Cu > 6 y 1≤ Cc ≤ 3 En caso de no cumplir con al menos uno de los dos coeficientes.76 mm).Clasificación de los suelos gruesos. se consideran mal graduadas. considerando lo siguiente: Las gravas se consideran bien graduadas cuando los coeficientes de uniformidad y curvatura satisfacen ambos lo siguiente: Cu > 4 y 1≤ Cc ≤ 3 En caso de no cumplir con al menos uno de los dos coeficientes. Material prácticamente limpio de finos. se consideran mal graduadas. . a los del segundo caso (% finos > 12 %).S.los dos primeros símbolos corresponden al primer caso (% finos < 5 %) y los dos símbolos siguientes.).C.U. A continuación se presenta un esquema que resume el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S. Academia de Geotecnia Unison 39 . LP = 28 % Cu = 7.5 Cu = 5.0 % ≤ % gravas ≤ 47. i) 40 .0 % ≤ % arenas ≤ 47.5 Solución a). c). Cc = 2.S.U.5 % 12. g).5 % 44.0 % 44.0 % < % arenas < 47.Academia de Geotecnia Unison Ejemplo 2.0.5 % LL = 50 %. b).5 % 44. d).0. Un cierto suelo se ha clasificado según el S.C.0.0 % < % gravas < 47. Del listado de características que se presenta.0 % 12. Cc = 2. Cc = 2.0 % ≥ % finos ≥ 5.0 % > % finos > 5. seleccione las opciones que cumplen con dicha clasificación: Características a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) 44. LP = 26 % LL = 50 %.5 Cu = 6. con el símbolo “SW – GC”.